微電子所在石墨烯電子器件研制整體突破

石墨烯材料具有優(yōu)良的物理特性和易于與硅技術(shù)相結(jié)合的特點(diǎn)，被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)為是推進(jìn)微電子技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的極具潛力的材料。日前，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微波器件與集成電路研究室(四室)石墨烯研究小組成員(麻M、郭建楠、潘洪亮)在金智研究員和劉新宇研究員的帶領(lǐng)下，分別在采用微機(jī)械剝離方法、SiC外延生長(zhǎng)法和化學(xué)氣相淀積(CVD)法生長(zhǎng)出的新型石墨烯材料上，成功研制出高性能的石墨烯電子器件。

(一)微機(jī)械剝離石墨烯器件

研究小組首先采用微機(jī)械剝離法得到幾百平方微米的大面積石墨烯材料，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新的采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的復(fù)合柵介質(zhì)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了細(xì)柵條器件工藝，解決了器件制備中的關(guān)鍵工藝問(wèn)題，開發(fā)出完整的石墨烯器件工藝流程，實(shí)現(xiàn)了石墨烯電子器件的制備，如圖1(左)所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，器件最高截止頻率達(dá)到18GHz(圖1(右)所示)，達(dá)到國(guó)內(nèi)石墨烯電子器件的最高水平。

圖1. (左)石墨烯電子器件SEM照片 (右)石墨烯器件測(cè)試結(jié)果

石墨烯器件直流特性

(二)SiC外延生長(zhǎng)石墨烯器件

研究小組在SiC外延生長(zhǎng)法制備的2英寸晶圓級(jí)石墨烯材料上，開發(fā)了完整的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的石墨烯雙柵器件工藝流程，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)石墨烯電子器件的大規(guī)模制備，如圖2(a)所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，器件整體性能達(dá)到GHz以上，最高截止頻率達(dá)到4.6GHz(圖2(b)所示)，器件成品率達(dá)到 90%以上，成為國(guó)內(nèi)首家公開報(bào)道在SiC外延方法生長(zhǎng)石墨烯上制備出截止頻率達(dá)GHz以上的團(tuán)隊(duì)。

圖2(a) . 采用SiC外延生長(zhǎng)法制備晶圓級(jí)石墨烯電子器件照片

圖2(b). 石墨烯器件測(cè)試結(jié)果

(三)化學(xué)氣相淀積(CVD)石墨烯器件

在銅箔上采用化學(xué)氣相淀積(CVD)方法制備的大面積石墨烯材料上，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)石墨烯電子器件的規(guī)模化制備。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，器件整體性能在 500MHz以上，最高截止頻率達(dá)到1.1GHz(圖3所示)，器件成品率達(dá)到80%以上，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)公開報(bào)道的在CVD方法生長(zhǎng)石墨烯上制備出截止頻率達(dá)到GHz以上的團(tuán)隊(duì)。

微電子所在石墨烯電子器件研制上獲得整體突破

圖3. 采用CVD方法生長(zhǎng)石墨烯制備晶圓級(jí)器件的圖片和測(cè)試結(jié)果

在晶圓級(jí)石墨烯材料上制備出電子器件，不同于以往常用的微機(jī)械剝離法制備石墨烯上實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子器件，它的實(shí)現(xiàn)為今后更深入的研究不同特征尺寸器件性能，為實(shí)現(xiàn)石墨烯基集成電路提供了重要的基礎(chǔ)，也是石墨烯基電子器件大規(guī)模制備的先決條件，具有非常重大的意義。

在電子器件研制的過(guò)程中，研究小組非常重視自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，已經(jīng)申請(qǐng)近20項(xiàng)專利，并有數(shù)篇論文已遞交國(guó)際頂級(jí)科學(xué)雜志，極大提升了微電子所在石墨烯電子器件方面的科研實(shí)力。研究小組認(rèn)為，應(yīng)該把握石墨烯優(yōu)異的物理特性與硅集成電路相結(jié)合，給集成電路帶來(lái)革命性變革這一重大機(jī)遇，突破石墨烯材料和器件發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，打造石墨烯從材料到器件的完整科研鏈條，實(shí)現(xiàn)我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和跨越。